基于PS-InSAR技术的晋城矿区地表形变监测及地质灾害风险预警

地表形变是一种严重的地质灾害现象,不仅严重影响灾害区居民的日常生活,而且会造成巨大的社会经济危害,尤其在采煤区。针对传统地表沉陷监测方法费时费力、无法获取地表沉降面状信息、难以进行地表沉陷灾害评估的不足,基于高分辨率SAR卫星影像,利用永久散射体合成孔径雷达干涉测量(PS-InSAR)技术对山西省晋城市晋城矿区2018年1月至2018年12月期间地表沉陷进行监测,分析获取了该地区地表连续形变情况,并利用该技术获取的海量PS点建立支持向量机(SVM)地质灾害风险评估预警模型,对晋城矿区周边居民点地质灾害风险进行了识别和预测。结果表明:晋城矿区10个煤矿及其周边区域存在较大的地表形变;晋城矿区平均LOS向年平均地表形变速率范围为-37~30.3 mm/a;PS-InSAR技术在晋城矿区地表形变监测中具有可行性,且可以实现矿区地质灾害风险综合识别和预警。

基于分子模拟的微观结构特征对无烟煤吸附CH_(4)、CO_(2)影响规律对比研究

为探究煤的孔径、芳香片层堆砌度、芳香片层延展度、气体温度、气体压力对CH_(4)和CO_(2)竞争吸附的影响,以晋城矿区3号煤为研究对象,对不同温度、压力、孔径、芳香片层堆砌度、芳香片层延展度下煤吸附CH_(4)、CO_(2)二元混合气体的过程进行研究。基于工业分析、X射线衍射试验对煤的微观结构进行测试与分析,采用巨正则系综蒙特卡洛(GCMC)方法对煤吸附混合气体的过程进行分子模拟。结果表明:气体压力增加有利于吸附,压力为5 MPa时,CO_(2)的吸附量已接近饱和;温度增加会导致煤对CO_(2)的最大吸附量和吸附热降低;孔径增大会使煤对CH_(4)的吸附量增大,孔径从1 nm增加到2 nm,CH4的吸附量增加最快;随着芳香片层堆砌度的增加,煤吸附的气体分子数变化不明显,但单位质量煤对CO_(2)的吸附量呈迅速下降趋势,对CH4的吸附量略有降低;随着芳香片层延展度的增加,煤吸附的CH_(4)分子数缓慢增加,吸附的CO_(2)分子数快速增加,单位质量的煤对2种气体的吸附量变化不明显;从吸附量和吸附热2个角度来看,CO_(2)在竞争吸附过程中均处于优势地位,因此向煤层注入CO_(2)可有效驱替CH_(4)。研究结果加强了分子层面对CH_(4)、CO_(2)二元混合气体吸附的认识,可为注CO_(2)强化煤层气开采奠定理论基础。

煤与煤层气协调开发三维仿真设计研究

在我国煤矿瓦斯防治和煤层气产业化发展的新形势下,煤矿区需要协调开发煤与煤层气资源,以实现资源的有效利用、安全生产和环境保护的目标。针对传统方法难以展现煤与煤层气协调开发流程的问题,通过分析晋城的煤与煤层气协调开发模式与技术体系,提出一种煤与煤层气协调开发动态模拟与辅助设计的新思路,根据煤与煤层气协调开发优化决策结果,研发出一套适用于煤矿区的能交互式、直观化协调开发的煤与煤层气协调开发三维仿真平台,并详细介绍了该平台的总体设计和流程设计。通过该平台在晋城矿区的示范应用,表明煤与煤层气协调开发三维仿真设计平台实现了晋城矿区煤与煤层气协调开发技术方案的可视化动态模拟,为“晋城模式”煤与煤层气协调开发技术体系的应用及推广提供了数字化技术支撑。

晋城矿区井上下联合瓦斯抽采工艺及现场应用

为了实现寺河矿瓦斯的高效治理,本文提出了针对晋城矿区煤层瓦斯赋存特点的井上下联合抽采技术。开展了晋城矿区井上下联合瓦斯抽采技术的现状分析,并分析了煤层瓦斯的赋存特点,基于煤炭开发时空接替规律,将矿区划分为煤炭生产规划区、煤炭开拓准备区与煤炭生产区3个区间,在时间上体现为煤矿规划区实施地面井预抽、煤矿准备区实施井上下联合抽采、煤矿生产区实施井下瓦斯抽采。以寺河矿为背景开展现场实践,最终消除了煤与瓦斯突出危险性。

晋城西北矿区底板隔水层采动影响模拟研究

针对山西晋城西北矿区突水隐患现状,就其生产过程中采动破坏对底板隔水层内部构造的影响问题作了研究。选取不同煤层下的底板岩体样本模型,分别采用二维F-RFPA和COMSOL数值模拟方法,对比正常隔水层和有构造发育隔水层的采动破坏规律。模拟结果表明,不同煤层的水文地质物理特征变化差异较大,底板含陷落柱等构造的隔水层更易出现突水隐患。

晋城矿区煤与煤层气共采研究进展及急需研究的基本问题

晋城矿区是我国最大的无烟煤生产矿区,自投产以来,受制于矿井煤层高瓦斯含量,常规井下抽采难以满足矿井安全高效生产的需要。晋煤集团通过探索地面抽采技术、井下抽采技术和地面与井下联合抽采技术,形成了"采煤采气一体化"的立体抽采模式,称为"晋城模式",并在国内推广应用,取得了好的效果。基于晋城矿区实际,提出了煤与煤层气共采的基本概念,分析了煤与煤层气共采研究现状,介绍了"采煤采气一体化"的煤矿瓦斯治理模式、地面抽采关键技术和井下抽采关键技术,并提出了今后一段时间内的努力方向和急需研究的几个基本问题。

中高煤阶煤层气井产量递减类型及控制因素——以晋城和韩城矿区为例

通过对晋城、韩城矿区煤层气井生产动态资料的分析和研究,认为煤层气井产量递减具有指数递减、调和递减、复合递减、突变递减和周期性递减等5种类型;而影响煤层气产量和递减类型的主要因素是边界条件、煤层气吸附特性、煤储层渗透率、解吸过程中的渗透率反弹、井间干扰、层间干扰和排采制度。研究还显示,通过对煤储层进行二次压裂、合理布设井网、合理调整排采制度、低产合采井选择性封层、准确把握合适的合采时机以及实施侧钻技术,有利于恢复和提高煤层气单井产量,延缓产量递减期,减缓递减速度,使递减类型趋向双曲线或调和递减类型,从而提高煤层气最终采收率。

煤层气项目经济评价方法及应用研究

采用复杂系统“定性与定量相结合的综合集成方法”的思路 ,系统研究了煤层气项目经济评价方法 .采用层次分析和模糊决策相结合的方法 ,对晋城矿区煤层气项目经济性进行了综合评价 .研究结果表明 ,评价区煤层气项目经济效益好 ,潜在的经济效益和开发前景是非常乐观的 ,评价结果可为决策部门提供参考依据 .

晋城寺河井区煤矿采空区煤层气地面抽采关键技术研究

随着煤层气勘探的不断深入,煤矿采空区煤层气已成为煤矿区煤层气重要资源之一。基于晋城矿区寺河井区煤矿采空区分布特征,通过地质分析、采空区煤层气成分、浓度试验和资源量模型计算等方法系统研究了煤矿采空区煤层气资源条件及地面抽采关键技术,揭示了采空区煤层气赋存规律,给出了不同赋存状态下煤层气资源量计算模型和方法,探索了煤矿采空区煤层气地面抽采关键技术。研究表明,煤矿采空区煤层气来源于煤柱及残留煤层、邻近未采煤层和围岩中的游离气和吸附气。根据吸附气和游离气资源量计算模型计算寺河井区煤层气总资源为213.016×10^(8)m^(3),其中游离气资源为0.102×10^(8)m^(3),吸附气资源为212.914×10^(8)m^(3)。采煤方法和采空区密闭性对采空区煤层气的来源和富集程度有重要影响。针对采空区上部岩体裂隙发育特征,将采空区煤层气抽采井身结构由二开优化为三开结构,实现了二开固井封闭断裂带上部含水层,三开下入割缝套管护壁,有效解决了采空区上部含水层涌水对钻井井身稳定性影响及抽采效果等问题。在此基础上,研发了潜孔锤+压缩空气(氮气)钻井工艺,用氮气取代空气作为循环介质,形成了安全揭露含气断裂带钻井工艺技术,为采空区煤层气安全抽采探索了有效途径。

晋城矿区“三高”劣质煤资源开发与利用探讨

介绍了晋城矿区"三高"劣质煤资源的基本特征及开发利用现状;分析了"三高"劣质煤的燃烧及气化特性,剖析了灰熔聚气化技术在生产运行中存在的一些深层次问题;提出了"三高"劣质煤资源规模化开发利用的相关对策措施。

ZTR12矿用地质雷达在晋城矿区探测的应用研究

为了充分掌握ZTR12矿用地质雷达的探测精度,选取晋城矿区多个矿井进行了试验。结果表明:ZTR12矿用地质雷达在晋城矿区无烟煤3煤中传播速度为0.16m/ns;采用200MHz收发天线时,有效探测距离大于20m,可分辨出小于0.6m的目标体;采用50MHz收发天线时,有效探测距离大于50m,可分辨出小于2m的目标体。该试验成果对于ZTR12矿用地质雷达在晋城和其他地区的应用具有指导和借鉴意义。

晋城矿区区域水害危险性研究

为了给晋煤集团旗下资源整合矿井不同煤层的安全回采提供依据和地质保障,对晋城矿区进行了深入的区域性水文地质情况研究,主要技术手段为沉积学的含、隔水层特性分析;构造学的褶曲、断层、陷落柱分布分析,富水性、积水性和水头压力分析;最终根据矿井主采煤层的水害危险性影响因素做出了相关的分区,包括:沁水块区、阳城块区、晋煤西区、构造区块、构造影响区块和晋煤东区,并针对不同区块的水害特点提出了相应的防治水措施,能够有效指导安全生产。

晋城矿区西区9#煤层赋存规律及沉积环境

以大量勘探钻孔资料为基础,对晋城矿区西区9#煤层赋存规律、成煤古地理环境及其演化史进行了分析与研究,阐述了不同的沉积类型对煤层厚度的控制作用。为该区今后的地质勘探和煤矿开采提供了依据。

寺河矿厚层综采工作面覆岩冒裂带发育高度实测研究

厚煤层综采工艺引起的覆岩顶板导水裂缝带发育规模直接影响防治水安全评价结果。以晋城寺河矿为例,采用冲洗液消耗量法、钻孔彩色电视观测法和RFPA数值模拟法对3#煤顶板导水裂缝带进行了深入研究,研究成果对晋城矿区类似条件的矿井具有借鉴意义。

煤炭采空区下伏煤层气资源潜力及抽采效果--以山西省晋城西部矿区为例

煤炭采空区以往煤层气抽采主要针对采空区上覆煤层,下伏丰富煤层气资源长期未能得到有效开发,同时也给下伏煤层的煤炭开采造成了安全隐患。为了进一步提高煤炭采空区煤层气的利用效率,利用“上三带”理论、底板破坏带深度计算公式、稳压区开采计算模型及FLAC3D软件模拟等方法,确定了晋城西部矿区(以下简称晋城西区)3号煤层采空区下伏地层卸压范围,研究了下伏煤层气赋存状态并建立了资源量估算方法,分析了过采空区煤层气抽采效果和经济效益。研究结果表明:①晋城西区采空区卸压范围可达山西组3号煤层底板以下143 m,覆盖太原组9号煤层和15号煤层;②下伏煤层气游离态和吸附态并存,其中游离气资源量占比普遍大于50%;③根据见气时间长短将过采空区煤层气井产气潜力分成3类,分别占跟踪研究井总数的60%、28%和12%,平均套压分别为0.43 MPa、0.32 MPa和0.29 MPa,单井日均产气量依次为2570 m^(3)、3324 m^(3)和1496 m^(3),最高日抽采量分别达到11040 m^(3)、9643 m^(3)和4800 m^(3);④与研究区常规煤层气井相比,前两类井产气效果显著较好,第3类井大致相当;⑤过采空区单井投资回收期比常规煤层气井缩短1.5年,经济效益显著。结论认为,晋城西区3号采空区对下伏9号煤层和15号煤层起到了良好的卸压作用,提高了过采空区煤层气井抽采效率,推广应用前景可观。

晋城矿区煤与煤层气协调开发模式优化决策方法

为进一步提高煤矿区煤与煤层气共采效率,需要对现阶段煤与煤层气协调开发模式进行优化决策,针对该问题,以晋城矿区为研究对象,基于层次规划思想提出了“采煤工作面→采区→矿井”3层级煤与煤层气协调开发模式优化决策思路;界定了采煤工作面煤与煤层气开发3区范围,采用非线性规划数学方法构建了采煤工作面煤与煤层气协调开发模式优化决策理论;基于3区时长控制关键因素建立了3区时长控制机制,明确了特殊阶段转换临界指标;基于优化决策目标内容,采用系统分析及归纳演绎法从安全性、经济性、资源效益性3方面构建了采煤工作面煤与煤层气协调开发效果评价指标体系及评价考核标准,对寺河煤矿东五盘区5301采煤工作面的煤与煤层气协调开发效果进行定量评价应用,验证了评价指标体系具有良好的现场适用性;基于煤层气开发技术和煤层气赋存条件,采用BP神经网络算法,建立了煤层气开采量预测模型,以寺河煤矿地面垂直井和井下顺层长钻孔为煤层气开采技术代表分析论证了其现场可操作性;以3区时长控制机制为纽带、以煤与煤层气开发全生命周期资源量守恒定律为本构模型、引入煤层气开采量预测模型,构建得到以3区时长为最基本待求解变量的采煤工作面煤与煤层气协调开发模式优化决策模型,决策模型以评价指标体系和特殊阶段转换临界指标作为求解约束条件,建立了可借助计算机编程语言实现的采煤工作面煤与煤层气协调开发模式优化决策流程,具体流程为“构建所有技术方案的3区时空关系制约方程并求解→通过协调开发效果评价确定每个技术方案的最佳开发方案→从所有技术方案的最佳开发方案中优选获得最佳开发方案”。研究表明:“以煤矿区煤与煤层气赋存条件、开采技术、现场实践数据为基础数据,以非线性规划、人工智能为建模方法,以计算机编程为具体实现手段”的煤与煤层气协调开发模式优化决策方法在理论与实践方面是可行的,该优化决策方法能够为解决晋城矿区煤层气开采与煤炭开采的时空矛盾问题提供指导意见。

晋城矿区粘土矿物特征及沉积-成岩响应

在X射线衍射和扫描电镜观测的基础上,结合区域沉积演化分析,探讨了晋城矿区粘土类型、组合特征、微观结构与沉积-成岩作用的关系。结果表明,晋城矿区粘土矿物以高岭石为主,其次为伊利石和伊利石/蒙脱石混层,还有少量的绿泥石和蒙脱石;山西组粘土矿物颗粒排列定向性优于太原组,多呈带状或平叠状产出,而太原组多为蜂巢状、花朵状或凝絮状;由于太原期频繁的海侵海退致使煤层顶底板处于pH值较高的碱性环境,使成岩过程中高岭石向伊利石转化,造成太原组粘土矿物的伊利石含量明显高于山西组,而高岭石含量相对较低。

晋城矿区含煤地层的沉积环境

晋城矿区含煤地层自下而上本溪组为泻湖、海湾等过渡环境沉积 ,含煤性差 ;太原组为一套海陆交互相沉积 ,煤层主要形成于海退时期发育的半咸水闭流泥炭沼泽 ,这些沼泽发育于滨海平原、三角洲间湾及泻湖海湾滨岸带 ,因而煤层稳定性普遍较好 ;山西组则主要为一套河流及三角洲沉积 ,煤层主要形成于淤平的湖沼和三角洲平原上发育的淡水泥炭沼泽 .

超长工作面隐伏构造探测技术研究

针对晋城矿区超长工作面无法有效探测隐伏构造的难题,对采用槽波探测技术进行了探测研究。结果表明,槽波探测技术可有效探测出超长工作面内陷落柱、破碎区、应力增高区等地质异常区。以某矿5308工作面为研究对象,通过对槽波透射法的观测系统、槽波主频、频散曲线及速度分析,推断出该工作面存在6处异常,包括2处应力增高区,1处陷落柱,1处瓦斯富集区,2处煤层破碎带或断层。随后与已有物探资料、钻探资料及揭露资料进行对比分析,得出槽波探测技术可以有效地解决超长工作面隐伏构造探测难题。

晋城新区煤层瓦斯赋存特征及评价

分析了晋城新区 3# 煤的瓦斯成分和含量在区域上的分布特征 ,探讨了煤层埋深、地质构造、围岩条件、煤层物性等对瓦斯含量的影响 ,并对煤层甲烷资源和煤与瓦斯突出进行了评价。